ZnCr-LDH/水绵藻生物杂化复合材料选择性吸附阴离子染料及其增强去除直接黄染料的机制研究

为解决工业废水多组分阴离子染料污染问题，Alfan Wijaya团队开发了ZnCr-LDH/Spirogyra藻类复合材料，通过XRD、FTIR等多维表征证实其结构特性，该材料对Direct Yellow(DY)表现出48.780 mg/g的吸附容量（313 K），遵循伪二级动力学和Freundlich等温模型，经5次循环仍保持56.37%去除率，为废水处理提供了可持续解决方案。

　　

合成染料造成的工业废水污染已成为全球性环境挑战，特别是纺织、印染等行业排放的阴离子染料，不仅破坏水体生态平衡，其致癌性更直接威胁人类健康。传统吸附材料如活性炭存在成本高、选择性差等问题，而新兴的层状双氢氧化物(LDH)虽具有可调控层间结构和阴离子交换能力，却面临机械稳定性差、再生困难等瓶颈。如何通过生物质改性提升LDH性能，成为环境材料领域的研究热点。

印尼Sriwijaya大学的Alfan Wijaya团队创新性地将淡水丝状藻类Spirogyra与ZnCr-LDH复合，开发出兼具高选择性和稳定性的生物杂化吸附材料。研究采用共沉淀-水热法制备ZnCr-LDH/Spi复合材料，通过X射线衍射(XRD)证实材料保留了LDH的层状特征（2θ=11.86°对应003晶面）和藻类的有机组分；傅里叶变换红外光谱(FTIR)在3410 cm^-1处检测到羟基振动峰，表明材料富含活性吸附位点。比表面积分析(BET)显示复合材料孔径分布优化至7.733 nm，较纯LDH提升3倍以上，为染料分子扩散提供了理想通道。

在吸附性能研究中，团队首先通过紫外光谱解卷积技术解析了材料对直接黄(DY)、甲基橙(MO)等四种染料的竞争吸附行为。令人振奋的是，ZnCr-LDH/Spi对DY展现出特异性选择吸附，在pH=2时去除效率最高，这归因于材料表面质子化后与DY磺酸基团的强静电作用。动力学分析表明吸附过程符合伪二级模型（R²>0.99），揭示其化学吸附本质；Freundlich等温线拟合则暗示染料分子在材料表面形成了多分子层吸附。值得注意的是，材料在313 K时达到48.780 mg/g的最大吸附容量，热力学参数ΔH=18.947 kJ/mol证实该过程为吸热反应。

材料的实际应用价值通过循环实验得到验证。经过5次吸附-解吸循环后，ZnCr-LDH/Spi仍保持56.37%的DY去除率，显著优于纯LDH（21.78%）和纯藻类（26.74%）。透射电镜(TEM)显示藻类纤维网络有效阻止了LDH纳米片的剥离，这种"有机-无机互锁"结构是材料高稳定性的关键。

该研究发表于《Next Materials》，首次揭示了淡水藻类增强LDH染料选择性的分子机制：藻类提供的羧基、羟基等官能团通过与DY形成氢键和π-π堆积作用，而LDH层板则通过阴离子交换捕获染料分子。这种协同效应使材料在复杂废水体系中仍能精准识别目标污染物，为发展智能型水处理剂提供了新思路。特别值得关注的是，研究采用未预处理的原生藻类，既保留了天然活性位点，又降低了制备成本，符合绿色化学原则。未来通过调控LDH金属比例和藻类品种，有望进一步拓展材料在重金属去除等领域的应用。

主要技术方法：

研究采用共沉淀-水热法制备ZnCr-LDH/Spi复合材料，通过XRD、FTIR、BET、热重-差热分析(TG-DTA)、扫描电镜-能谱(SEM-EDX)和透射电镜(TEM)进行系统表征。吸附实验考察pH、温度、接触时间和初始浓度的影响，通过紫外分光光度法结合高斯拟合解析多组分吸附选择性，采用伪一级/二级动力学和Langmuir/Freundlich等温模型分析吸附机制，并评估材料的循环稳定性。

研究结果：

3.1 表征分析

XRD显示复合材料同时具备LDH特征峰（11.86°）和藻类无定形结构；FTIR检测到3420 cm^-1处羟基振动和1381 cm^-1处NO₃^-振动；BET表明复合材料比表面积达32.297 m²/g；TG-DTA证实藻类组分使材料热稳定性提升50°C；SEM显示藻类纤维与LDH纳米片形成互穿网络。

3.2 吸附选择性

光谱解卷积显示ZnCr-LDH/Spi对DY的吸附选择性达70%，显著高于其他染料，归因于静电作用和氢键协同效应。

3.3 pH影响

材料在pH=2时对DY吸附最佳，pH_pzc分析表明此时材料表面呈正电性，与带负电的DY分子产生强静电吸引。

3.4 动力学与热力学

吸附过程符合伪二级动力学（k₂=0.002 g/mg·min）和Freundlich等温模型（n=0.895），ΔG=-0.774 kJ/mol（333 K）证实过程自发进行。

3.6 材料再生

经过5次循环后，复合材料DY去除率仍达56.37%，超声清洗未破坏其层状结构。

结论与意义：

该研究成功构建了具有选择性吸附功能的生物杂化材料，通过藻类天然官能团与LDH层状结构的协同作用，实现了对DY染料的高效捕获。材料在保持48.780 mg/g吸附容量的同时具备良好再生性，解决了传统LDH易剥离、难回收的难题。研究为发展低成本、可持续的水处理技术提供了新范式，特别适用于含复杂染料组分的工业废水净化。未来可通过藻类基因改造进一步优化材料性能，推动环境功能材料的生物设计革命。